TW201130385A - Self-balancing ionized gas streams - Google Patents

Description

201130385 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係相關於使用電暈放電以產生氣體離子之靜電 中和》又備。更特言之，本發明係、針對製造用於電荷中和 之電氣自我平衡、雙極性離子化氣體流。相應地，本發明 之總體目標為提供新穎且具有此等特徵的系統、方法、設 備、與軟體。 【先前技術】 在純淨環境中的製程與作業特定傾向於在所有電氣隔 離表面上創造且堆積靜電電荷。這些電荷產生不被需要的 電場，電場會將大氣懸浮微粒吸引至表面、在介電質中製 造電應力（electrical stress)、在半導體材料與導體材料中誘 發電流、以及在製造環境中引發電氣放電與電磁波干擾 (EMI)。 欲解決這些靜電危害，最有效率的方法為將離子化氣 體流供應至帶電荷的表面。此類型的氣體離子化可有效率 的補正或中和不被需要的電荷，且藉以減少關於不被需要 的電荷之污染物、電場、以及電磁波干擾效應。製造氣體 離子化之一習知方法被稱為電暈放電（e〇r〇na disehaae)。 基於電暈之離子化裝置（例如’見於已公開之專利申請說明 201130385 書US 20070006478與JP 2007048682)，因為在小空間内能 里與離子化可為高效率而被需要。然而，此電暈放電設備 之一已知的缺點為，使用於其中的高電壓離子化電極/發射 器（為尖端或細線之型式），將與需要的氣體離子一同產生 不被需要的汙染物。電較電亦可在周圍空氣中舉例而 言，激發微小液滴型式的水氣。 習知電暈放電設備之另 的高電壓離子化電極/發射器有產生不相等數量之氣體正 離子與氣體負離子的傾向，而非如同大部分應用所需要 的，產生濃度大約相等的正離子與負離子。因為高純度之 正電性與惰性氣體具有高離子化能量與低負電性，在需要 中和正電性氣體（諸如氮氣與氬氣）的應用中此問題特別嚴 重。舉例來說，負電性A之離子化能量為I2 2ev，與^ 之15.6eV和氬氣之15.“ν相較。因此，這些氣體有製造2 大量自由電子’而非負離子之傾向。纟此重中雖然這些 氣體會製造三種電荷載子（電子、正離子、以及負離子）， 但主要係製造正極性離子與電子…匕，負離子發散係為 相對地稀有，且正離子與負離子的製造完全不均等（不 衡.）。 此外，離子不平衡亦可產生自—事實：離子產生速率 與平衡係依賴於一些其他因t ’其他因素係為諸如離子化 電極的狀態、氣體溫度、與氣體流組成等等。舉例來說， 201130385 以下事實係顯而易知於本發明 a g域中：電暈放電逐漸地侵 蝕正離子電極與負離子電 、 网考且自此等電極中製造汙 染物粒子。然而，正電極诵堂以#么 ㊉乂較負電極快速的速率侵蝕， 且此現象加劇離子不平衡與離子電.流不穩定性。 實務上_平衡離子流之習知作法，係使用—浮接（與 地電氣隔離）的高電壓直流電源供應器。此電源供應器之高 電壓輸出係連接至正電極盥負 ”貝冤極（如美國專利7,042,694 號中所不與描述）。缺而，丨办亦 }…而此作法需要使用具有高電壓隔離 之至少兩離子電極。 用以平衡離子流之一替代性習知作法，係使用兩（正 與負）·隔離的直流/脈衝直流電壓供應器，且調整應用至一 或兩離子電極之電壓輸出及（或）冑壓持續期帛（如已公 開之美國專利申請號20〇7/〇279829與2009/0219663中所示 與描述）。此解決辦法具有其本身的缺點。第一個缺點為複 雜度，其歸因於需要控制每個高電壓電源供應器。第二個 缺點為從兩分離來源，在氣體流中達到正離子與負離子之 優良混合的困難度。 在以上提到之關於在習知離子化裝置中發射器侵蝕與 粒子產生的問題，對於高純度氮氣、氬氣、與惰性氣體之 電暈離子化特別地有挑戰性。在這些氣體中，正極性電暈 放電在正常的大氣狀態下產生具有低移動度（低能量）之正 離子叢集°然而’由於在電子與中性分子間的非彈性碰撞， 201130385 負極14電暈放電產生高能量電子’非彈性碰撞係歸因於自 發射器之電場發散，與在電極頂部周圍之電漿區域内的光 離子化（ph〇t〇-i〇nizati〇n)。這些在正電性氣體與惰性氣體中 的自由電子具有對中性氣體原子或分子之低附著機率。此 外，自由電子之電氣移動度係為由氣體生成之負離子的一 百倍高以上。這些事實所導致的結果包括： 一咼旎ϊ電子與電極表面的衝撞加速侵蝕，其相應地 製造汙染離子化氣體流之粒子； —尚移動度電子在離子化氣體流中產生顯著的不平 衡； 一自由電子有能力以製造第二電子發散，引發電暈電 流不穩定性且（或）導致崩潰。 對於上述問《I的一先前技術解決辦法被利用於MKS/ 離子系統，氮氣沿線離子化模型421〇 (u/un)中。第一圖圖 示此設備之一簡化結構。如在此所示，此裝置之離子化單 70 (1C)具有遠遠地分開放置之正發射器（PE)與負發射器 (NE)，並具有在兩者間流動之氣體3。每個發射器係經由 限流（current-limiting)電阻（CLR1與CLR2)連接至高電壓直 流電源供應器（DC-PS)之一浮接輸出。在此設計中，如與此 一般類型中之其他設計，正發射器侵蝕為一汙染粒子與離 子不平衡之來源》同樣地，任何將通過兩電極間的氣體流 離子化之系統的效率被限制。 201130385 題的另一解決 之電子附加 美國專利第6，6 3 6，4 11號揭示對同樣問 辦法’其建議引入一特定百分比 (electron-attaching)氣體（諸如氧氣）至電漿區域中，以將自 由電子轉換（附加）入負離子中，並穩定電暈放電。然而， 氧氣（或一些其他的負電性氣體）的引入排除了此解決辦法 在純淨與超純淨環境與（或）任何f要非氧化性氣體流之環 境中的使用。 【發明内容】 本發明對於電氣平衡之離子化氣體流之穩定製造，提 供自我平衡之電暈放電’以克服習知技術之上述與其他缺 點。以促進使自由電子轉換成負離子之電子轉換，且不添 加氧氣或其他負電性氣體至氣體流中，而達成此結果。本 發明可被使用於負電性氣體流、正電性氣體流、及惰性氣 體流之任一者、多|、或任意組合者，且可包含使用一閉 迴路電暈放電控制系統。 依照本發日月以及在此所揭示者，在電暈放電區域(亦 即’在離子化電極與非離子化參照電極之間的離子化單元 之區域）内具有兩不同種類的區域： .(a)小型(直徑約1毫米)且—般為球形之白熱電漿區 域其以離子發射器尖端為中心或近於離子發射器尖端， 在白色電漿區域中離子化電場提供充足的能量以產生新電 201130385 子與光子，從而維持電暈放電；以及 (b)離子漂移區域，其為在白熱電聚區域與非離子化 參照電極之間的黑暗區間（dark space)。 根據本發明’具有正部分與負部分之週期τ之交替的 離子化㈣’被應用至離子化電極，以在定義下游方向之 非離子化氣體流中產生電荷載子，從而形成離子化氣體 流。電何載子組成電子、正離子、與負離子之雲。有利地， 在離子化信號之負部分中之Tne部分期間製造的電子雲中 的電子#：誘土以在離子漂移區域中振盈。此電子雲振堡 提高了在振盈電子與在氣體流（例如高純度1氣）中之令性 刀子之間的彈性碰撞/附加之機率。因為當此等彈性碰撞/ 附加發生時自由電子與_性分子轉換成負離子，本發明的 使用提高了離子化氣體流中負離子的數量。 選擇性地，在至少一參照電極與離子漂移區域之間提 供介電質屏障（dieiectric barrier)(亦即電氣隔離），更進一步 促進將多數電子轉換成低移動度負離h此效應提供穩定 的電暈放電’幫助平衡正離子與負離子的數量，並增進從 流過離子化裝置之氣體流採收正離子與負離子。 本發明之特定的選擇性具體實施例使用雙重解決辦法 以在離子化氣體流中平衡離子流：⑴將離子化電晕電極 電容性地耦合至一射頻頻率（RF)高電壓電源供應器 (HVPS)，以& (2)將參照電極與離子化氣體流電氣隔離 201130385 (例如，以介電材料使參照電極與氣體流絕緣）。 本發明之特定的選擇性具體實施例亦展望使用（有能 力以在正電性氣體與負電性氣體中工作的）控制系統，其中 將增加的電壓脈衝重複地應用至一離子化電極，直至電暈 放電發生，從而決定電極的電暈臨限電壓。接著控制系統 可減少作業電壓至一般等於電暈臨限電壓之一靜態位準， 以最小化電暈電流、發射器融合、與粒子產生。以此方式， 本發明之特定的具體實施例可保護離子化電極，以避免在 μ性氣體與惰性氣體中之RFf晕電流所造成的傷害（諸 又）使用如此之控制系統之本發明之具體實施例，不 僅可更加地平衡離子化氣體流，從而亦可自動地、最佳化 地平衡離子化氣體流（亦即， v 1 此导具體貫施例可為自我平 衡）。 田’’、、地4述之本發明所揭示之方法係很好地特 定適應於前述本發明所揭示之設備、。類似地，本發明所揭 μ備係很好地適合執行前述有進步性的方法。 藉著以下對於較佳的具體實、施例之詳盡描述、申請專 利範圍、與伴隨之附 圖式，諸多本發明之其他優點與特 點將顯然於在本發明如 相關領域中具有通常知識者。 【實施方式】 以在廣範圍之流動速率中、至少實 第2圖係圖示用於 201130385 質上濃度為電氣平衡之電荷載子，產生離子化氣體流 0/11 (例如使用負電性/正電性/惰性氣體)之較佳方法與設 備之一簡要代表圖。吐曰神^ _ 此目&經由離子化單元丨00’以達成， '離子化單元⑽，包含絕緣參照電極6以及電容性地輕合 (capac山vely-coupied)至高電壓電源供應器（奶叫9之離 子化電極5’冋電壓電源供應器(Hvps)9較佳係於射頻頻率 範圍内作業。 如第2圖所圖示，鉍从t 車乂佳具有進步性的離子化裝置1 〇〇 包含至少一個位在穿赭括、* 。 芽越通道2内之發射器（離子化電暈電 極）5 ’穿越通道2接γ 接、'内疋義下游方向之氣體流3。電極5 可由導體材料諸如鶴、基於金屬之合金、複合材料（陶究/ 金屬），或半導體材料（諸如石夕）製成，及/或可由任何材料製 成及/或具有任何於併入此之應用中描述之結構。電極5可 以沖壓、從線切割加工成 、 珉^•、或根據其他已知於本發明相 關領域中之技術以製成。 電極5之離子發射末端可具有錐形尖端5，，雜形尖端 5具有約70〜80微米之小半 另—末端可固定於插 座8且可連接至高電麼 电竖冤今ci，高電壓電容C1可 於通篇描述之類型的高電 電屋父流電源供應器9之輸出。在 此較佳具體實施例中，雷、、届似也口。 ，原供應益9較佳地為可變量 交流電麼產生器，交流電壓 ㉟里值之 ^ 之里值可自約1千伏特（kV)至 約2〇kV.(較佳為1〇kv ( V)至 乂〜電壓之頻率可於自約5〇赫 10 201130385 茲（Hz)至約200千赫茲（kHz)(最佳為38kHz)之間。 一不導電外殼可被放置於電極周圍，不導電外殼具有 靠近電極尖端之流孔’以及用於移除生成電暈之疏散孔（見 圖示於第4圖中之-外殼4)。此選擇性之外殼可以.沖壓、加 工成型、或根據其他已知於本發明相關領域中之技術以製 成。此配置之細節已於在以上參照並併入之發明應用中揭 不 ° 穿越通道2可以介電材料製成，且可以沖壓、加工成 型、或根據其他已知於本發明相關領域中之技術以製成。 高壓氣體之來源（未圖示）可連接至穿越通道之吸入口 2以 建立純淨氣體流3，諸如包含氮氣之正電性氣體。較佳之 參照電極6為導電環之型式。參照電極6係較佳地以相對 為厚（1〜3毫米）之介電體壁絕緣自通道2之内側空間，且 電氣耦合至控制系統36。 ，，，μ丄％早从电〜離卞1匕旱 元100,的主要組件。當電源供應器㈣Μ 肇始電壓VCO時氣體離子化開始。電晕媳滅（抑制）通常在 低電壓時發生。此效應已知為電暈遲滯 ―)，且在正電性氣體與高頻率時更為顯著。 如已知於本發明相關領域之，對於正極性與負極性放 電，電晕肇始電屢的值與伏特-安培特徵係為不同。此為電 軍放電在軋體中產生不均等數量的正電荷載子與負電荷截 201130385 子的原因之一。因此，離開電暈發射器之離子流在習知系 統中係為不平衡的。然而，依照在此所描述之較佳具體實 施例，可校正此不平衡。如所示之，電極5可經由電容器 C1通k式地耦合（c〇mmunieatively c〇upled)至電源供應器9 以達到兩目標：首先，限制自電極5流出之離子電流，以 及接著，使離開電極5之正電荷載子與負電荷载子 10/11/11’之數量均等。因為根據電荷守恆定律，不均等之 正電流與負電流在用以平衡自電極5之正電流與負電流之 電容器C1上堆積電荷並產生電壓，所以將電源供應器9 電容性地耦合至發射器5使出自發射器之電荷載子 10/11/11平衡。電容器C1之較佳電容值係取決於電容性 地耦合至電容器C1之HVPS 9之作業頻率。對於較佳的 HVPS(具有約38kHz之作業頻率），C1之最佳化值較佳地係 為在約20微微法拉（pic〇Farads)至約3〇微微法拉的範圍 内。雖然相較於習知技術，以此方法平衡自發射器之正離 子與電子為—值得被注意的進展，圖示於第2圖之較佳具 體實施例更進一步地展望在漂移區域（在離子化電極與下 游參照電極之間）中，促進將電子雲之自由電子轉換成負離 子之改進’如隨於以下討論之。 根據歐姆疋律，由電荷載子位移所產生之電流密度j [A/m2]為： 12 201130385 J = qxNxExg 其中q為離子或電子電荷 電荷裁子之雷孩叙e 了戰于/晨度’μ為 电订戰子之電移動度’以及 马/示移區令電場強度。 如已知於本發明相闕領域者 # 礼體正離子之平均移動 度（mean mobility)為⑴ ’μ L36X ， 平均移動度為㈠μ叫·53 、 m V s ，而電子之平均 移動度為(-)μ = 200 X 10-、2 v 一 ' «* ^ #s 广 （或為更兩’取決於氣 體的類型、壓力、溫度等等 因此，移動進入離子化單元 10之眛移區之均等濃度的（ 、離子與（_)Ν電子，可產生 非常不同的電流量值) j盥 …與㈠J以及非常不平衡之氣體 流0 為了解決在漂移區中之不平衡問題，本發明促進將電 子轉換成低移動度之負離子。轉換速率係受電子產生持續 期間、離子化單元尺寸、應用至電極5之電壓之頻率及量 值、以及離子化單元10之材料特性。較佳之HVPS之作業 頻率（F)範圍係自約5〇 η 主4 200 kHz ’射頻頻率範圍係 自約1〇他至約刚kHz。高電壓振幅應接近 限值(-)v—下詳盡討論這些因子。 、 …第h圖圖示使用於第2圖圖示之具體實施例之—較佳 波形’此波形可由高電壓電源供應9產生。在多數較佳之

HkHZ頻率下，負電荷載子僅在電壓週期之負部分中之 -非常短的時間L期間中產生。因此，典型的係等於 13 201130385 電壓週期之十分之一或更少 ,^ ^ r 电千雲需要時間Te以 自電極5移動至參照電極6 :

Te = L/U = L/(Ed χ (.) μ) 其中.u為電子速度；a為雷工必 ."、電子移動度；Ed為漂移區 中之平均電場強度；以及L A、、& 从 為你移區之等效長度。 若電子雲行動時間Te係耸趴+ , 』e係4於或小於歸因於負電暈之 子產生之持續期間（時間期間）(Teqnc)，則多數在此週 期間發射出‘之電子將不會有足夠的時間逃出離子漂移區。 如以下所討論之，於隨後的/另—邊的來自Ηνρ§ 9之波形 之半週期期間，此等電子將朝著發射器被退回。 將更進-步被理解的是，發射器之電場與漂移區中之 電子空間電荷導致一些電子n，沉積在漂移區中通道2之 内側體壁上，如第2圖所圖示。此等負電荷u，產生額外的 斥力並減低電子移動至參照電極之速度。此效應更進一步 減少自由電子逃出離子漂移區域的能力。 此較佳具體實施例減低自由電子速度之另一方式為， 以具有長時間常數之介電材料作為穿越通道2之體壁。此 寺門常數τ較佳為& 1 〇 〇秒（或電荷弛緩時間τ = r χ ε，其 中R為電阻值，以及6為通道材料之介電常數）。適合的材 料包含聚碳酸酯與鐵氟龍，因為他們具有等於或大於丨〇( 秒之時間常數。由 QuadrantEPPUSA，Inc. of2120Fairmon e·’ Ρ. Ο. Box 1235 Reading，PA 19612 所製造之 pc 聚碳 14 201130385 酸醋，以及由 w_ L. Gore & Associates Inc，2〇ι ΑίΓ_

Road Ρ·0· Box 148 8, Elkton，MD 21922 所製造之（pTEF)鐵 氟龍800類型，被相信為當下最有利的體壁材料。 在週期的正部分期間，正電壓產生對於電子雲之吸 力。此為為何若達成以下兩較佳條件時：Te < 〇1_ 〇 2/ F與 t>100s，在漂移區域内每個高電壓週期將製造電子雲之振 盈。 振.盛之電子雲導致在漂移區域内電子與中性氣體分子 間較咼的彈性碰撞/附加機率，以及較高的大部分的自由電 子轉換成負氣體離子U之機率。負氮氣離子具有接近於在 空中傳播之負離子之平均移動度㈠μ = 15 x 1〇-4 m2 v·〗, 之移動度。此為值得被注意的低於已知至少為丨00倍大之 於氮氣流十自由電子之移動度。 此由電子至負離子之轉換，由於消除了電子流 (streamer)與降低了崩潰的機率，改進了電暈放電穩定性， 並導致在離子化氣體流中之正離子與負離+㈣i之濃度 實質上均等。 低移動度之正離子與負離子n彳容易地由氣體流採 收（收集與移動）。於每分鐘60升之氣體流在離子漂移區域 中產生約67公尺/秒（m/s)之線性速度位移。負離子與正離 子在約2.3xl〇5伏特/公尺（v/m)之電場中具有約35_之 線性速度（相較於在相同電場中約4,6〇〇 m/s之平均電子速 15 201130385 度）。所以在高頻/RF電場内，電子U，主要地回應於電場 而移動，而正離子與負離子1〇/11主要地由漂移區間内之 擴散與氣體流速度而移動。 為了保護離手發射器自高頻電晕放電所造成的傷害， 本發明之-選擇性的較佳具體實施例之特點為限制來自電 極5之電流作準備。此由連續地使用參照電極(作為監視之 手段）以將監視信號（回應於在離子化氣體流中之電荷載子） ㈣至控㈣Μ調整RF電源供應器9,致使應用至電極 5之電壓保持在（或接近於）電暈臨限電壓。 依照圖示於第4圖之較佳具體實施例，Hvps 9,包含建

立於高電壓變壓器TR四周之可A 四周之可調自振盪產生器。特定言 之，第4圖圖示一較佳的具體實施例，其中參照電極“ 經由電容器C2電容性地耦人ΦL , 耦。至類比控制系統36，。如所圖 示之，環形電極6以絕緣介電通道2與離子化氣體… 離；因此’傳導電流與離子化氣體被阻隔。 由L1/C2構成之具有約]石姑u 、 百萬赫茲（MHz)之截止頻率 之高通濾波器，被用以將來自 ,電極6之電暈信號回 饋。此經濾波電暈信號可由二極體d 整训·，並以由R2/C6 構成之低通濾波器濾波，值诚 。 傳遞至由τ取1構成之電壓比較 器（其中R1代表一預定比較芎 、“ 器電壓位準）’且其後傳遞至n_ 通道功率MOSFET電晶體丁2 f極。相應地，電晶體Τ2 供應足夠的電流，以驅動功 又盪益/南電壓變壓電路9,〇

Iff 201130385 其他信號處理可包含高增益放大、減少雜訊分量之集成、 乂及與I照電暈信號位準之t匕較。以上所紀錄之信號處 理極大地減少電暈信號中固有的雜訊，且連同於特定較佳 -體實施例此可為特別重要，因為較佳的高電壓電源供應 . 器9’係在射頻頻率範圍内作業。 在使用上，當離子化開始時，因為回饋信號僅剛開始， 電暈放電與電暈信號（由參照電極6提出且反映位移電流） 為高。電暈信號保持為高（典型地為數毫秒）直到回饋電路 開始調整此狀態。控制電路快速地將應用至離子化裝置之 高電壓，減少至由一預定參照電壓所決定之較低的位準， 且較佳地，將電暈放電在此位準保持恆定。以監視（被通信 式地耦合之參照電極之）電暈回饋並調變高電壓驅動器，控 制系統36’與HVPS 9,具有將作業電壓保持在（或接近於）電 暈臨限電壓’並將發射器傷害最小化之能力。 在本發明相關領域具有通常知識者將會注意到，第4 > 圖之電容器C2係由一位移電流充電，位移電流具有兩主要 、分量：（1)來自發射器之高電壓電場的具有基礎頻率F(較 佳為約38 kHz)之誘發信號，以及（2)由電暈放電本身產生 之信號。第5a圖（S1，與S1)與第5b圖（S2,與S2)圖示說明 此等分量之代表性示波器螢幕擷取圖。在此圖示之紀錄波 形代表在相同時間框架内之兩訊號。如所示之，在空氣中 之參照電極上產生的電暈信號S1(見第5a圖）係不同於在氣 17 201130385 氣中之參照電極上產生的電暈信號S2(見第5b圖與第5c 圖）。在大部分情況下，在空氣中的電暈放電產生振盪放電 之兩起始瞬變突波（transient spikes)(見第5a圖中之信號 S1)。此可能和氧氣（一顯著的空氣組成）與氮氣的離子化能 量不同有關。 第5b圖與第5c圖展示在純淨氮氣内的負電暈誘發電 流S2' ’於此振盪電暈放電信號S2具有一最大值（於應用至 電極之離子化電壓S2’之最大值）。在氮氣與空氣兩者中， 負電暈位移電流皆係比正電流高出許多。在高頻率（諸如4〇 〜50 kHz)時，在電場影響下正離子之移動範圍被限制。特 定言之，在高電壓週期之正部分期間，正離子丨〇將僅能自 電漿區域12移動一毫米之一小部分。從而，正離子雲之位 移係由相對地慢的程序控制_氣體流之擴散與位移。因 此正離子1〇之位移對參照電極6的影響將僅為一可忽略的 數量。 現參閱第6a圖與第讣圖，其中依照兩自我平衡之本 發明之較佳具體實施例，展示兩替代性的氣體離子化設備 簡要代表圖’每-者具有通信式地耗合至以微處理器為 基礎之控制系統3 6，，與3 6，，，之HVPS 9，，。 抑在第^圖與第6b圖之具體實施例之兩者中，微處理 (控制盗）190之主要工作為·提供對驅動離子化電極5之言 電壓電源供應H9”之閉迴路顧控制。較佳的微處理^ 18 201130385

型號 ATMEGA 8μΡ ’ 由 Atmel，〇rchard pkwy，San Jose，CA 95 1 3 1所製造。在此使用之較佳的變壓器為變壓器型號 CH-990702’由晶勇實業股份有限公司，現地址為33〇桃 園縣桃園市永安路964巷22弄10號所製造 (www.chirkindustrY.com)。如第6a圖與第6b圖所示，自參 照電極6之電暈位移電流監視信號可由濾波器丨8〇濾波並 緩衝，並供應至微處理器190之一類比輸入。微處理器19〇 可比較電暈信號與一預定參照位準（見τρ2)，且隨後產生一 連串的PWM(脈波寬度調變）脈衝輸出電壓。一連串的脈衝 輸出電壓隨後被濾波電路200濾波且處理，以發展用於可 調自振盪高電塵電源供應H 9”（類㈣4 ®所示之替代性 HVPS設計9’）之驅動電壓。 為了最小化與電暈放電相關的傷害，與來自離子化電 極5之粒子產生，微處理器19()可對高電壓電源供應器之 變麼器以提供具有不同工作因數（duty factor)(在約卜 1〇〇%的範圍内，且較佳地約為5〜麵）之脈衝（見TP1)。 脈衝重複頻率可設為約〜2〇〇 Hz的範圍内，且較佳地 '為30 1〇〇 Hz。儘管微處理器19〇亦可回應於壓力感測 益33 (見第^圖），在其他具體實施例中微處理器190可 替代性地回應於真空感測器33，，，，(見… 在高流動速率(例如每分鐘9〇〜“Ο升)時正離子與 負離子可能發生重短的時間期間很短，且來自離子化裝置 19 201130385 之離子電流很大。在此情況下，應用至電極之高電壓之工 作因數可較低些（例如5〇%或更少）。第9圖展示供應至發 射器5之高電壓波形S4，之一範例（較佳的基頻.約為38 kHz、权佳的工作因數約為49%、且較佳的脈衝重複速率約 為99 Hz)。將可認知到工作因數越低，電子/離子可能轟擊 (bombard)發射器5的時間越短，且將會發生較少的發射器 侵蝕（從而延伸發射器壽命）。 工作因數可由使用連接至微處理器之類比輸入的微調 電阻（trim P〇t)TPl(工作因數）以手動調整，或可由基於適當 的氣體感測器 33’（例如 TSI Series 4_ High Per*f()nnanee Linear OEM Mass Fl〇wmeter，由 TSI Inc〇rp〇rated， Cardigan Road，Sh〇review，MN 55 126 所製造）量測得之氣體 壓力或氣體流之里測結果以自動調整（見第6 a圖）。 微處理器190基於回饋信號自動地建立驅動電麼。若 需要，可使用微調電阻TP2將自動地被決定的驅動電壓調 整高些或低些。 具有此設置，以微處理器為基礎之控制系統可用以回 應於來自感測器33’之信號而採取各種動作。例如，若氣體 流位準在一預定臨限位準之下，則控制系統可將高電壓電 源供應器9，’關閉。同時微處理器19〇可觸發警示信號「低 氣體流」（警示/LED顯示系統202)。 在第6b圖之具體實施財，當一抽射器（educt〇r)26 ” 20 201130385 被用於在離子化殼體中以提供吸力時，如在併入之專利案 中所描述之’且如第6b圖所圖示，來自於通道2中之氣體 流3之真空壓力可被用以偵測流動速率。在此情況下，監 視疏散孔内真空位準之真空感測器33”亦將關於氣體流的 資訊提供至微處理器190。微處理器丨9〇有能力以自動地 調整至咼電壓電源供應器9 ’’之驅動電壓，以在不同的流動 速率下將離子電流保持在規格中。在此本發明之較佳具體 實施例中使用之抽射器可為由Anver Corporation located at 3 6 Parmenter Road，Hudson, ΜΛ 01749 USA 所製造並行銷 之 ANVER JV-09 Series Mini Vacuum Generator ;及由 Fox

Valve Development Corp. located at Hamilton Business Park, Dover’ New jersey 078〇1 USA 所製造並行銷之 f〇x

Mini-Eductor ;或其他已見於此技術領域之均等裝置。 在典型的工業應用中，離子化裝置時常於高電壓「開 啟·關閉」模式中作業。在一長時間「關閉_週期」（一般 小時以上）之後，離子化裝置在每個「開啟_週期」中 始電暈放電。在正電性氣體（如氮氣）中的電暈啟動程序 相較於一已被「調節（conditioned)」之離子化裝置，通常 要較高的起始肇始電壓及電流。為了克服此問題，該有 步性之離子化裝置可由以微處理器為基礎之控制系統來 作於下列各別的模式中：「待命（standby)」、「開啟（p〇w 〇n)」、「啟動（stan up)」、「學習〇earni吻」與「作 21 201130385 (operating)」模式。 第7a圖、第71)圖、第以圖、第7d圖與第化圖圖示 本發明之-些較佳離子化裝置具體實施例之功能性流程 * 圖。特疋吕之，此等圖式圖示微處理器用以進行以下作業 • 之程序：（1)起始電暈放電（第7a圖-開啟模式）；（2)調節 用於電暈放電之離子化電極（第7b _ —啟動模式），學習 且精細調諧保持電暈放電所需的離子化信號（第7e圖- 于S模式），以及（3)隨後，調變離子化信號以保持所需的電 晕放電位準（第7c -正常作業模式）。在各種於此描述 之狀態下，微處理器亦可進入待命模式（第7d圖）。在開啟 之後，程序控制轉移至待命或啟動例行程序其中之一者。 在高電壓警示狀態被設定，即如由一視覺化顯示器所指示 (諸如一紅光LED持續發光）之前，迴路可不斷重複（例如多 達30次）。若離子化裝置成功地啟動，如同（例如）由可被接 又的電暈回饋彳§號所決定的，控制轉移至學習與正常作業 例行程序。 、 現在/主意到第7a圖，當程序傳至方塊2 12時開啟模式 210開始發生，在方塊212處微處理器將輸出設定為一正 吊已知之狀態。隨後程序傳至決策方塊2 14 ,在決策方 處決疋由適當的類比輸入所指示之氣體流壓力是否 充足以繼續。若非，則程序傳至方塊216，在方塊216處 使汽光與藍光led指示器發光，且程序傳回至決策方塊 22 201130385 214田壓力夠充足以繼續進行時，程序2 1 0傳至代表第 7b圖之啟動例行程序之方塊23〇。 啟動例行程序230開始於方塊232處且使閃爍藍光 LED發光，且傳至方塊234，在方塊234處高電壓被應用 離子化裝置直至充足的電暈回饋信號存在於—預設電 壓位準。若為如此，則程序傳至方塊242，在方塊242處 程序回到第7a圖之例行程序21〇。否則，程序23〇傳至決 策方塊236，在決策方塊236處若啟動模式23〇結束則將 回到開啟模式2 1 〇。否則程序在方塊23 8決定是否發生少 於29次的重試。若為如此，則程序傳過方塊24〇且回到方 塊240。若非如此，則程序23〇傳至如第7d圖圖示之待命 模式280 。 當存在充足的離子化裝置回饋信號，或當啟動模式結 束時，程序230傳至方塊242且重新進入開啟例行程序21〇 之方塊220。例行程序2 1 0隨後以監視突然的電暈回饋信 號提升，決定離子化是否已開始。若非如此，則程序傳至 決策方塊224，在決策方塊224處一定數量的重試被測試， 若已發生多於30次的重試，則程序朝向待命模式28〇。否 則’程序傳過方塊226 ’且啟動例行程序再一次地被呼叫， 在方塊226處程序（以典型被選定為2_1()秒間的一值）被延 遲。於自啟動例行程序230返回時’若離子化調節已發生， 則程序傳過決策方塊2 2 0至第7 e圖之學習模式3 〇 〇。若偵 23 201130385 測到電暈回饋，則微處理器將繼續進行至學習模式300(見 第7e圖）。在此離子化信號將自零點被提升（方塊3〇2)至再 一次偵測到電暈回饋（方塊3〇4)之點。接著，正當監視回饋 位準時，離子化信號被略微減少（方塊3〇6)至所需的靜態電 壓位準’且程序傳至正常作業模式25〇(如第7c圖與第8 圖所圖示）。 正吊作業250開始於決策方塊252’在決策方塊252 處決疋是否存在待命命令。若存在，則程序傳至待命模式 280並繼續進行如有關於第7d圖之描述。否則，程序 傳至决策方塊2 5 6，在決策方塊2 5 6處測試高電壓警示狀 態。若硬體甚至以1〇〇%電壓輸出與工作因數，皆無法建立 並保持電暈回饋信號於所需的位準’則設定高電壓警示狀 ，態，且程序250傳至方塊258 ,在方塊258處警示LED發 光且關閉高電壓電源供應器。隨後程序25〇傳回決策方塊 2 5 2並繼續進行。若尚未達到警示狀態則程序傳至方塊 260,在方塊260處若高電壓驅動超過其最大值的95%，則 設定低離子輸出警示狀態。若已達到低離子輸出警示狀 態，則正常作業傳至方塊262,且一黃光LED發光。隨後 程序傳回決策方塊252並繼續進行，如在此所描述之。若 未達到低離子警示狀態，則程序傳至方塊264，在方塊264 處若真空感測器電壓在極限之上，則設定氣體流警示限制 狀態（flow alarm limit conditi〇n)，指示氣體流不足。若達 24 201130385 到警示狀態，則程序250傳至方塊266，在方塊處黃 光與藍光]:£D發光’且關閉高電壓電源供應器。程序再次 傳至決策方塊252，並如在此所描述繼續進行。若未達到 • 氣體流警示狀•態’則程序25〇傳至方塊268，且應用至離 • 子化電極之高電壓如閉迴路伺服控制所需被調整。接著， 程序傳至方塊270，在方塊270處所有藍光、黃光、與紅 光LED被關閉。隨後程序25〇傳回至決策方塊扣並如在 此所描述繼續進行。當在方塊252接收到並偵測到待命指 令，則程序傳至待命模式28〇並繼續進行如關於第Μ圖所 描述者。

當程序傳至方塊282時待命模式280開始，且藍光LED •Λ 發光。若為第一次通過方塊284，或自從上一通過方塊284 之週期已經過一分鐘，則程序傳至方塊230 ,在方塊230 處啟動模式例行程序如關於第7b圖所描述繼續進行。在從 啟動模式230返回時，待命程序28〇傳至方塊288，在方 . 塊288處開始一（典型被選定為2_1〇秒間的一值之）延遲， .且私序移至方塊290，在方塊290處設定啟動模式終止旗 標。最後，待命程序280傳至方塊292，在方塊292處例 行轾序返回至呼叫此例行程序之位置（在第圖第％ 圖與第7e圖之一者中）。類似地，在方塊284處若經過 的時間少於一分鐘，則待命程序280傳至方塊292 ,在方 塊292處例行程序返回至呼叫此例行程序之位置（在第7a 25 201130385 圖、第7b圖、與第7c圖之一者中）。 若離子化裝置以一外部輸入或因一警示狀態被安置於 待命狀態，則離子化裝置將較佳地保持在該狀態，直至警 示解除或外部輸入改變狀態。待命模式可由一不同的視覺 顯示器（諸如一持續發光之藍光led)指示。 第8圖係一示波器螢幕擷取圖，其圖示在學習模式3〇〇 開始處，以微處理器為基礎之控制系統3 6，，/3 6，，，控制電源 供應器9” ’而實質上即時地（2 5 kv/ms)自零點提升應用至 離子化電極之離子化電壓S3’，至一低於電暈肇始電壓vc〇 之電壓振幅VS。此電壓位準可位在自約i kv至約3 5 kv 之範圍内。在此時間期間内電暈位移電流S3係接近於零。 在此之♦’以冑處理器為基礎之控制系統將較佳地控制電 源供應β 9 ’以將電壓提升速率降低至約5 ，並逐 漸地提升離子化電壓_ e 至阿於電軍臨限電壓VCO。在電 箪k號到達預設位準昧，n *点 +時，以微處理器為基礎之控制系統 36 /36’’’將控制功率放夫哭 大益’以將離子電壓S3,在一預設時 間期間内（較佳地為約3 心）保持恆定。此學習程序在控制 系統3 6 ” / 3 ό ” ’可計直曰* ^ ，-·己錄平均電暈肇始電壓值之時間期 間内可被重複數次（可 硬30次）。若系統未能完成此學習 程序，則可觸發高電壓邀_ s不並關閉高電壓電源供應器/9”。 右學習模式成功勃 — 丁，則微處理器可開始正常作業例 仃程序（亦圖示於第8 M Y )。在此正常模式250中，功率 26 201130385 放大器9”將接近於電暈肇始電磨之離子化電壓μ，應用至 離子化電極5’且電暈位移電流S3之改變處於最小值。此 :於管理在流動的氣體流(特別於正電性/惰性氣體)中之電 暈放電之方法’提供穩定的電暈電流並將發射器傷害以及 粒子產生最小化。類似的學習模式與作業模式之週期將較 佳地’在每次較佳離子化裝置自待命模式切換至正常作業 模式時發生。 因為已知由於侵蝕、碎屑累積、與其他關於電暈之程 序，離子化電極的特性將改冑（且從而需要維護或替換）， 較佳的具體實施例可選擇性地致能以微處理器為基礎之控 制系統36”/36”，，以監視離子化電極5的狀況。根據此選 擇性的特徵，以微處理器為基礎之控制系統36，，/36”，可在 每個于S週期期間監視電暈肇始/臨限電壓vc〇，且可將此 值與預設最大臨限電壓V⑶max比較。t v⑺變得接近或 等於VCOmax時，微處理器36’/36，，可起始維護警示信號（見 第7c圖）。 替代性地，亦可能在發射器安裝時，即將起初的發射 器電暈肇始/臨限電壓記錄在微處理器記憶體中。由比較起 初與當下#電暈肇始/臨限電| ’可定義電極5對特定的離 子化裝置、特定的氣體、及/或特定的環境之劣化速率。 為了完整性，第9圖圖示—示波器螢幕擷取圖，其顯 示在執行50%工作因數之正常作業模式期間離子化裝置作 27 201130385 業的數個週期。在此模式中，應用至離子化電極5之離子 化電壓S4’被開啟與關閉。接著電暈位移電流依照地跟隨。 正當本發明以相關於在當下被認為是最實際且最佳的 具體實施例而描述，必須了解本發明並不限制於所揭示之 具體實施例，而意為包含在附加申請專利範圍之精神與範 疇内的各種修改與均等的配置.例如關於上文的描述，必 須理解到本發明之部件的最佳尺寸關係，包含大小、材料、 形狀型式、功旎、與作業、組合及使用方式的變化，係 被視為輕易顯然於一在本發明技術領域中具有通常知識 者’且附加申請專利範圍係意為包含所有等於在圖式中所 圖不、以及在說明書中說明者。因此，上文所述被視為對 本發明原理的說明性描述並非為窮舉的。 在作業範例，或其他經指示者以外，將瞭解到因用詞 「約」，所有參照於成分數量、反應狀態等等之在說明書與 申請專利範圍内被使用之數字或陳式，將可在所有實例中 被b改相應地，除非有相反指示，載於說明書與附加申 請專利範圍内之數值性參數係為近似值，且可根據本發明 所需獲得的特性以變化。每個數值性參數必須至少被解釋 為根據報告之有效位元，以及應用普通的捨入技巧之數 子，並盡力不意圖為限制對於申請專利範圍之範疇之均等 論應用。 儘管載於纟發明的婁欠值範圍與參數係為近似 28 201130385 值’载於特定範例之數值已被盡可能精準地報告。然而因 為見於各別的測試量測之標準差，任何數值固有地包含必 然的錯誤。 此外，必須理解任何在此記载之數值範圍係意為包 含所有在其中包容之子範圍。例如，範圍Γι〜⑺」係意為 包含於其間之所有子範圍，且包含記載之最小值丨與最大 值換言之，具有均等或大於之最小值1與均等或小於 之最大值1G。因為所揭示之數值範圍為連續的，其包含在 最小值與最大值之間的每個值。除非有明確的其他指示， 各種詳述於本案的數值範圍係為近似值。 為了下文描述的目的，用詞「上」、「下」、「右」、「左 「垂直」、「水平」、「頂部」、「底部」、與上等用詞之變化型 必關聯於本發明’因其定向於圖式中。然而，比須瞭解可 假設各種替代性的改變與步驟序列，除非指示相反。㈣ 瞭解在附加圖式中圖示’並在說明書中描述之特定的裝置

與程序，係為本發明$邕β Μ _ y丨L t月之早純的不例性具體實施例。因此，

相關於在此揭示之且辦恭办丨―& A 具體^例之特定的尺寸與其他物理特 性’係不視為限制。 各種離子化襄置以及技術被描述於下揭美國專利以及 已公開專利申請案’其整體内容在此被併入參照之：核發 予—之美國專利第5风917號，巾請號G8⑽切 申請日為1995年10月4日，公開日為1998年12月8日，’ 29 201130385 名稱為「氣體離子化設備與方法」；核發予Leri之美國專 利第6,563，110號，申請號〇9/563,776，申請曰為2000年 5月2曰，公開曰為2003年5月13曰，名稱為「沿線氣 體離子化裝置與方法」；以及核發予Kotsuji之美國專利早 期公開號US 2007/0006478 ’申請號1〇/570,085，中請曰為 2004年8月24日’公開曰為2007年1月11日，名稱為 「離子化裝置」。 【圖式簡單說明】 本發明之較佳具體實施例將於以下參照於附加圖式以 描述’其中數值代表對應之步驟及/或架構，其中： 第1圖圖示一習知氮氣沿線離子化設備； 第2圖為根據本發明之一較佳具體實施例之離子化單 元之簡要代表圖； 第3圖圖示應用至根據第2圖之較佳具體實施例而作 業之離子化電極之一電壓波形； 第3b圖圖示自根據第2圖與第圖之較佳具體實施 例而作業之離子化電極放電之一電暈電流波形； 第3c圖圖示自根據第2圖、第3&圖、與第3b圖之較 佳具體實施例而作業之發射器產生之正電荷載子盥負電荷 載子； 第4圖為根據本發明之自我平衡具體實施例、使用類 30 201130385 比控制系統之具有RF HVPS之氣體離子化設備之簡要代表 圖， 第5 a圖為根據本發明，比較應用至離子發射器之代表 ' 性高電壓信號’與在空氣中之代表性電暈誘發位移電流之. • 示波器勞幕操取圖； 第5b圖為根據本發明，比較應用至離子發射器之代表 性向電壓信號，與在氮氣中之代表性電暈誘發位移電流之 示波器勞幕棟取圖； 第5c圖為第5b圖之電暈誘發電流信號之示波器螢幕 擷取圖，其中水平（時間）軸被擴大以更詳細地圖示被應用 的電壓信號； 第6a圖為根據本發明之自我平衡較佳具體實施例、具 有HVPS與以微處理器為基礎之控制系統之氣體離子化設 備之簡要代表圖； 第6b圖為根據本發明之自我平衡較佳具體實施例、具 - 彳HVPS與以微處理器為基礎之控制系、统之另-氣體離子 化設備簡要代表圖； 第乃圖為根據本發明之一些較佳具體實施例、圖示控 制系統之代表性「開啟」模式作業之流裎圖； 第7b圖為根據本發明之—些較佳具體實施例、圖示控 制系統之代表性「啟動」模式作業之流程圖； 第7c圖為根據本發明之—些較佳具體實施例、圖示氣 31 201130385 」模式作業 體離子化設備之控制系統之代表性「正常作業 之流程圖； 第7d圖為根據本㈣之—些較佳具體實施例、圖示控 制系統之代表性「待命」模式作業之流程圖； 第7e圖為根據本發明之-些較佳具體實施例、圖示控 制系統之代表性「學習」模式作業之流程圖； 為在學習作㈣式（左側）與正常作業模式（右側） 期間，在使用氮氣流之有進步性的離子化裝置内，比較代 表性電軍位移電流信號與代表性高電堡波形之示波器營幕 擷取圖； 第9圖為在基㈣45kHz、工作因數為約卿〇、與脈 衝重複速率為99 Hz下，比較代表性電暈位移電流Μ(見榮 幕上較高的波形）與射頻高電壓波形S4’之示波器營幕插取 圖。 【主要裝置符號說明】 ioo離子化裝置 100’離子化單元 10 離子化氣體流 11 離子化氣體流 U，電子 12 電漿區域 32 201130385 16”濾波器 2- 穿越通道 26”抽射器 3 氣體流 33’壓力感測器 33’真空感測器 36 控制系統 36’控制系統 36”控制系統 4 外殼 5 離子化電極 5 ’ 錐形尖端 6 參照電極 8 插座 9 高電壓電源供應器 9’ 高電壓電源供應器 9’’高電壓電源供應器 33

Claims (1)

1. 201130385 七、申請專利範圍： 1 · 一種用以將定義一下游方向之一非離子化氣體流轉換 為一離子化氣體流之氣體離子化設備，該氣體離子化設備 包含： 接收構件，其用於接收該非離子化氣體流，且將該非 離子化氣體流傳遞至該目標； 製造構件，其回應於具有一週期τ之一離子化信號之 供給，以用於在該非離子化氣體流中製造電荷載子，該週 期T具有正部分與負部分，其中該等電荷載子包含以將該 非離子化氣體流轉換為該離子化氣體流之電子雲、正離 子、與負離子，且其中該電子雲係於該離子化信號之該負 部分中之一時間Tnc期間製造； 監視構件’其用於監視該離子化氣體流中之該等電荷 載子’至少-部份的該監視構件係位在該製造構件之下 於或 距離L 游，並與該製造構件相隔-距離L，且該時間Tnc係小 專於在該時間T„e期間製造的該電子雲往下游移動 之一時間Te ;以及 控制構件， 信號。 其回應於該監 視構件以用於控制 該離子化 2. 如申請專利範圍第 1項所述之氣體離子化設備，其中 34 201130385 ι視構件包含以一介電材料與該離子化氣體流絕緣 之一非離子化參照電極； 該非離子化氣體流為一正電性氣體； • 在該時間Tnc期間製造之該電子雲中之該等電子具有 . 一移動度μ ; 在/離子化電極與該非離子化參照電極之間於該時 間TnC期間#在平均電場強度為Ed之一電場；以及 該時間Te係小於或等於L/(Ed χ(-μ))。 中π專利範圍第2項所述之氣體離子化設備，其中 該’I電材料具有至少肖i 〇〇秒之一弛緩時間且時間丁以 係小於或等於週期T之十分之一（1/10)。 4.如申請專利範圍第2項所述之氣體離子化設備，其中 該非離子化氣體流包含選自由下列氣體所組成之群組 之-氣體：-正電性氣體、一負電性氣體、一惰性氣體' -· 以及由以上三種氣體所混合之一混合氣體； v 該接收一非離子化氣體流之接收構件包含具有—體壁 之穿越通道至少該體壁的一部分係以_絕緣介電材料 製成；以及 該參照電極係位於該體壁之該絕緣部分之外側，致使 該體壁使該參照電極與該離子化氣體流絕緣。 35 201130385 5*如申請專利範圍第1項 項所述之氣體離子化設備，其中

   如申請專利範圍第 5項所述之氣體離子化設備，其中 該I視電荷載子之監視構件包含以—介電材料與該離 子化氣體流絕緣之至少一非離子化參照電極 該控制構件係通信式地耦合（communicatively coupled) 至該監視構件與該電源供應器，且該控制構件包含具有至 少為1百萬赫兹（megaHertz)之截止頻率的一高通濾波器。 7. 如申請專利範圍第6項所述之氣體離子化設備，其中 該電源供應器將—離子化信號提供至該離子化電極，且回 應於該控制構件，該離子化信號之振幅係於約〇與約2〇千 伏特（kv)之間變化，而該離子化信號之頻率係約於10千赫 茲（kHz)與1〇〇 kHz之間變化。 8. 如申請專利範圍第6項所述之氣體離子化設備，其中 s玄電源供應器將一離子化信號提供至該離子化電極，且回 201130385 工作因數（duty factor)係 離子化信號之重複速率 應於該控制構件’該離子化信號之 約於1%與1〇〇%之間變化，而該 1000 Hz之間變化。 (repetition rate)係於約 〇1 Hz 與約 9·如申請專利範圍第6項所述之氣體離子化設備，其中 ^備更I 3監視流動速率構件，該監視流動速率構 件係用於監視該離子化氣體流之該流動速率； 該控制構件係回應於該監視流動速率構件；以及 該電源供應器提供具有一變化工作因數之一離子化信 號至該離子化電極 而變化。 該變化工仙數係、回應於該控制構件 10·如申請專利範圍第6項所述之氣體離子化設備，其中 該離子化信號具有： 八 約0.05 kHz與約200 kHz之間之_頻率； 約1 %或約等於1〇〇%之間之一工作因數 以及 約0.1Hz與約刪Hz之間之—脈衝重複速率； 約1000V與約20kV之間之一電壓量值；以及 升與約每分鐘15〇 該非離子化氣體流係為具有約每分鐘 升之間之一流動速率之一正電性氣體 37 201130385 Η. —種用以將一離子化氣體流傳遞至一電荷中和目標之 氣體離子化設備，該氣體離子化設備接收定義一下游方向 之一非離子化氣體流，且包含： 至少一穿越通道，其用於接收該非離子化氣體流，並 將該離子化氣體流傳遞至該目標； 至少一離子化電極，其回應於具有一週期T之一離子 化信號之供給，以用於在該非離子化氣體流中製造電荷載 子，該週期T具有正部分與負部分，其中該等電荷載子包 含進入該非離子化氣體流以成形該離子化氣體流之電子 雲、正離子、與負離子； 一電源供應器’其用於將該離子化信號提供至該離子 化電極，其中該電子雲係於該離子化信號之該負部分中之 一時間Tnc期間製造； 至 > 一非離子化參照電極，其位於該離子化電極之下 游’該參照電極製造一回應於在該離子化氣體流内之該等 電荷載子之監視信號，其中以該離子化電極製造之該電子 π在該離子化電極與該參照電極之間振I，從而將該等電 子轉換為負離子；以及 控制系統，其通信式地耦合至該電源供應器與該參 照電極，以控制提供至該離子化電極之該離子化信號，該 離子化信號係至少部分地回應於該監視信號。 38 201130385 12.如申請專利範圍第U項所述之氣體離子化設備’其中 在時間Tne期間製造之該電子雲朝下游往該參照電極移 動’該時帛Tne係小於或等於該電子雲自該離子化電極移 動至該參照電極之me，且該參照電極係以_具有至 少約10G秒之—弛缓時間之—介電材料與該離子化氣體流 絕緣。 13. 如申請專利範圍第U項所述之氣體離子化設備，其中 該電源供應器包含-射頻離子化電源供應器該射頻離子 化電源供應器係電容性地耦合至該離子化電極，藉以使傳 遞至該目標之該離子化氣體流之負離子與正離子之濃度至 少實質上地為平衡。 14. 如申請專利範圍第u項所述之氣體離子化設備，其中 該非離子化氣體流包含由下列氣體所組成之群組之一 氣體：一正電性氣體、一負電性氣體、一惰性氣體、以及 由以上三種氣體所混合之一混合氣體； 該控制系統係通信式地耦合至該參照電極與該電源供 應器’且該控制系統包含具有至少為】百萬赫茲之截止頻 率的一高通濾波器。 201130385 .如精專利範圍第u項所述之氣體離子化設備，其中 該電源供應器提供-離子化信號至該離子化電㉟，且至少 部分地回應於該監視信號，該離子化信號之振㈣於^ 與約20 kV之間變化’而該離子化信號之頻率係於約“Hz 與約200 kHz之間變化。 16·如中請專利範圍第u項所述之氣體離子化設備，其中 該電源供應器提供一離子化信號至該離子化電極，且回應 於該控制信號’該離子化信號之工作因數係於@ ι%與約 100%之間變化，且該離子化信號之重複速率係於約〇 1 與約1 000 Hz之間變化。 17.如申請專利範圍第u項所述之氣體離子化設備，其中 該設備更包含用以監視該非離子化氣體流之該流動速 率之監視構件； 該控制系統係回應於監視該流動速率之監視構件；以 及 該電源供應器將一離子化信號提供至該離子化電極， 該離子化#號具有一回應於該監視到的流動速率而變化之 工作因數。 40 201130385 18.如申請專利範圍第n項所述之氣體離子化設備，其中 該離子化信號具有： 約0.05 kHz與約200 kHz之間之一頻率； 約1°/。或約100%之間之一工作因數； 約0.1Hz與約l〇〇〇Hz之間之一 J ^ 脈衝重複速率；以及 ;以及 升與約每分鐘150 約1000V與約20kV之間之一電壓量值 該非離子化氣體流係為具有約每分鐘5 升之間之一流動速率之一正電性氣體。 19. 如中請專利範圍第^項所述之氣體離子化設備，其中 該離子化信號具有一作業量值，且該控制系統調整該離子 化信號之該作鞏詈侑，丨v x斗，p 蒹量值以補正諸如氣體組成、氣體流、與 溫度等狀態之改變。 20. 如申請專利範圍第n逭％ >严 固第Π項所述之氣體離子化設備，其中 於該時間Tne期間製 表&之该電子雲中之該等電子具有 一移動度μ ; 在該離子化電極盥唁 „ Τ …玄非離子化參照電極之間，於該時 間Tnc期間存在平均電 5$度為Ed之一電場；以及 該時間Te係小於戋箄 乂寻於 L/(Ed 。 41 201130385 自我平衡離子化 21_ 一種用於製造往-下游方向流動之一 氣體流之方法，包含以下步驟： 建立步驟’建立往該下游方向流動之-非離子化氣體 流，該非離子化氣體流具有—壓力與—流動速率； 、裝仏步驟’在該非離子化氣體流中製造電荷載子，藉 以成形具有-壓力與—流動速率、且往該_^以心< 一離子化氣體流，該等電荷载子包含電子雲、正離子、與 負離子； 轉換步驟’將該電子雲之該等電子轉換為負離子，藉 以製造具有一實曾J- JSL > X -ω*- 貫質上千衡之正離子與負離子濃度之一離子 化氣體流； 監視步驟，監視該平衡離子化氣體流；以及 控制步驟，至少部分地回應於該監視步驟以控制該製 造步驟。 22.如申請專利範圍第21項所述之方法，其中 該監視該平衡離子化氣體流之監視步驟更包含以下步 驟：監視該離子化氣體流之該等電荷載子·以及 該製造步驟更包含以下步驟··廂田目士 d a Γ 7鄉.應用具有—週期τ之一 射頻離子化信號於該非離子化教體法由 卞亿風饈机中，該週期Τ具有正 部分與負部分，該電子雲俦在咭離；& i π你在这離子化信號之該負部分中 C 42 201130385 之一時間Tnc期間被製造，且該時間Τη。係小於或等於週期 T之十分之一（1/10)。 23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中該射頻離子 化信號之振幅係於約〇與約2〇 kv之間變化，而該離子化 信號之頻率係於約5〇 Hz與約2〇〇 kHz之間變化。 24. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中該射頻離子 化指號之工作因數係於約〇1%與約ι〇〇%之間變化， 而《亥離子化彳§號之重複速率係於約〇 1 Hz與約1 〇〇〇 Hz之間變化。 25. 如申請專利範圍第21項所述之方法，其中 «亥瓜視該平衡離子化氣體流之監視步驟更包含以下步 驟.監視該離子化氣體流之該流動速率；以及 該製造步驟更包含以下步驟：應用—射頻離子化信號 於該非離子化氣體流中’藉以經由電暈放電製造電荷載 子該離子化>(5號回應於該監視到的流動速率改變工作因 數。 26. 如申請專利範圍第21項所述之方法，其中該製造步驟 更包含以下步驟：應、用在該非離子化氣體流中之一射頻離 子化信號，藉以經由電暈放電製造電荷載子， 43 201130385 該離子化信號具有 約5 kHz與約5〇kHz之間之_頻率； 纟與約卿Hz之間之—脈衝重複速率；以 及 約lkV與約20kv之間之—量值；以及 該非離子化氣體流係為具有約每分鐘5升與約每分鐘 150升之m動速率之—正電性氣體。 27· 一種用於在—電晕放電離子化裝置内、將-自由電子 雲轉換為負離子的方法， 发电軍敌電離子化裝置係 一乳體流流動穿越之—穿越通道 … 内夕；^丨、+ v 刀位於該氣體流 至離子化電極、與少 夕係位在該離子化電極之 下游並與該離子化電極相帛 該方法包含以下步驟： L之參照電極之類型’ —應用步驟，將呈古 #D ^ 兮她 f具有—週期了之—離子化信號應用至 該離子化電極，該週期 Μ 離子一":::=:與:部:，在該 氣趙流内製造該電子雲，其中該電子"雲往下游子化 該=移動’且其中該時…小於或等㈣電子雲自 化電極移動距離L至該參照電極之—時間τ。 28·如申請專利範圍第27項所述之方法，其中 44 201130385 該氣體流包含自由下列氣體所組成之群組之一氣體： 一正電性氣體、一負電性氣體、一惰性氣體、以及由以上 二種氣體所混合之一混合氣體； - 該應用步驟包含以下步驟：應用具有頻率為約5kHz 5 與約100kHz之間之—射頻離子化信號。 29. 如申請專利範圍第27項所述之方法，更包含以下步 驟： <貞測該氣體流之該負電暈肇始電壓； 維持該應用步驟中之該離子化信號之該振幅，使該振 幅大體上等於該偵測到的該負電暈肇始電壓；以及 誘發由該離子化電極製造之該電子雲，使該電子雲在 該離子化電極與參照電極之間振盪。 30. -種用於在—離子化裝置内控制電暈放電的方法，該 離子化裝置係為具有一非離子化氣體流流動穿越之—穿越 '通道、回應於一離子化信號之應用以在該非離子化氣體流 中製造電荷载子藉以形成一離子化氣體流之一離子化電極 之類型，該方法包含以下步驟： 一學習模式，包含以下步驟： 45 201130385 一偵測步驟，將具有自一非離子化位 少直到該電極製造負電荷載子之振幅之— 該電極’以偵測該離子化裝 重複該偵測步驟數次， 壓範圍；以及 準提升、至 信號應用至 置之一負電暈肇始電壓； 藉以偵測一負電暈肇始電 基於該負電暈肇始電壓範圍，計算—代表性筆始 電壓；以及 一作業模式，包含以下步驟： -應用步驟，將—離子化信號應用至該離子化電 極’該離子化信號具有與該代表性肇始電壓成正比之 —振幅。 31 I申清專利範圍帛31項所述之控制電暈放電之方 法-中該應用-離子化信號之應用步驟更包含以下步 雜.維持該信號之該振幅於至少實質上等於該代表性肇始 電壓之~位準。 申明專利範圍第3丨項所述之控制電暈放電之方 法’更包含以ah. wvh 卜步驟：比較該代表性肇始電壓與一預定電 麈藉以決定該離子化電極之狀態。 S 46 201130385 33.如申請專利範圍第3〇項所述之控制電暈放電之方 法，其中 在該伯測步驟期間應用至該離子化電極之該信號，其 振幅係以一第一提升速率提升至一第一電壓量值，並以一 第二提升速率提升至該第一電壓量值之上； 該第一提升速率係大於該第二提升速率；以及 該第一電壓量值係低於該代表性肇始電壓。 3 4.如申請專利範圍第3 1 法，其中該應用步驟更包含 減少至低於s亥代表性肇始 level)。 項所述之控制電暈放電之方 〈下步驟：將該信號之該振幅 L壓之一靜態位準（quiescent 47